YE4系列超高效率三相異步電動(dòng)機(jī)研發(fā)

(重慶賽力盟電機(jī)有限責(zé)任公司，重慶 401329)

國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)發(fā)布的IEC 60034—30“單速、三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的能效分級(jí)”標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一將電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)分為IE1、IE2、IE3、IE4 4個(gè)等級(jí)，其中IE1為標(biāo)準(zhǔn)效率，IE2為高效率、IE3為超高效，IE4為目前已正式發(fā)布的全球最高的效率等級(jí)，行業(yè)中習(xí)慣稱之為超超高效率。IE4比國(guó)內(nèi)普通使用的IE2電機(jī)效率平均提高約5%。YE4系列電機(jī)是中國(guó)自主研發(fā)的等同于IE4系列的超高效三相異步電動(dòng)機(jī)。

參考IEC 60034標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也相應(yīng)制定了新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》(GB 18613—2012)，并從2012年9月1日起已正式開(kāi)始實(shí)施。GB 18613—2012將效率等級(jí)分為三級(jí)，其效率等級(jí)與IEC 60034—30的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 GB 18613—2012與IEC 60034—30對(duì)應(yīng)關(guān)系 %

新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，由于其功率范圍的擴(kuò)大、規(guī)格的增多，同時(shí)在小功率范圍段效率提高較多，而大功率范圍段效率原本就已經(jīng)比較高，效率又再進(jìn)一步提高，這些因素都增加了研發(fā)的難度。IEC 60034—30—1標(biāo)準(zhǔn)按功率分段統(tǒng)計(jì)的平均效率的提高幅度對(duì)比情況如表2所示。

表2 IEC 60034—30—1標(biāo)準(zhǔn)按功率分段統(tǒng)計(jì)的平均效率的提高幅度對(duì)比

目前國(guó)際上僅有SIMENSE、ABB、WEG等少數(shù)知名企業(yè)開(kāi)發(fā)了IE4效率等級(jí)三相異步電動(dòng)機(jī)部分功率段產(chǎn)品。這表明，IE4效率等級(jí)電機(jī)的開(kāi)發(fā)，在世界范圍內(nèi)都具有相當(dāng)高的難度。

中小型電機(jī)是世界上使用最為廣泛的動(dòng)力輸出源設(shè)備，也是電能消耗最大的設(shè)備群。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電動(dòng)機(jī)電能消耗已占總耗電量的64%以上，工業(yè)總耗電量的75%以上，是最大的耗電終端設(shè)備。因此，世界上許多國(guó)家對(duì)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能均給予了高度重視。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程是我國(guó)“十一五”期間的十大節(jié)能工程之一，也是我國(guó)近期實(shí)施節(jié)能減排既定國(guó)策的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。自2010年起，高效電機(jī)產(chǎn)品列入我國(guó)“節(jié)能產(chǎn)品 惠民工程”補(bǔ)貼范圍。2014年12月國(guó)家發(fā)改委等7部委聯(lián)合印發(fā)了能效“領(lǐng)跑者”制度實(shí)施方案，提出將能效領(lǐng)跑者指標(biāo)納入強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)家庭和工業(yè)用戶購(gòu)買(mǎi)高效節(jié)能產(chǎn)品和設(shè)備，要求其市場(chǎng)占有率達(dá)45%以上。YE4超高效三相異步電動(dòng)機(jī)被列入“領(lǐng)跑者”隊(duì)伍，并納入“能效之星”的評(píng)選產(chǎn)品范圍。

1 YE4系列關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

以YE4效率指標(biāo)為系列優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定定轉(zhuǎn)子三圓尺寸、定轉(zhuǎn)子槽型尺寸、繞組參數(shù)含硅鋼片牌號(hào)等為約束條件，開(kāi)展YE4效率等級(jí)的系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)和關(guān)鍵工藝的研究，借助有限元軟件對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)等進(jìn)行分析[1]，確定了系列化設(shè)計(jì)的電磁方案、通風(fēng)散熱方案和主體結(jié)構(gòu)方案。

1.2 低損耗繞組技術(shù)研究

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，H132-355小型三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組銅線材料成本和損耗占比均約為30%。由此可見(jiàn)，合理的繞組設(shè)計(jì)不但可以降低電機(jī)制造成本，而且可以大幅減低電機(jī)損耗，提高電機(jī)效率，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的。采用正弦繞組和單雙層同心式繞組對(duì)降低電機(jī)損耗有良好效果[2-3]，尤其是采用不等匝同心式繞組對(duì)降低電機(jī)損耗和提高電機(jī)效率效果更佳。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，與普通繞組相比，采用不等匝繞組可以有效降低雜散損耗，同時(shí)啟動(dòng)電流也在可控范圍之內(nèi)。

1.3 降低轉(zhuǎn)子損耗技術(shù)研究

在工程設(shè)計(jì)中，降低轉(zhuǎn)子損耗雖然有諸多方法，但效果往往差強(qiáng)人意，原因有三點(diǎn)：其一，轉(zhuǎn)子槽型與轉(zhuǎn)子的很多力能指標(biāo)相關(guān)、相互制約；其二，轉(zhuǎn)子屬旋轉(zhuǎn)部件，受機(jī)械強(qiáng)度約束，轉(zhuǎn)子制造工藝對(duì)設(shè)計(jì)要求滿足度較定子低；其三，轉(zhuǎn)子通常內(nèi)置，參數(shù)不易監(jiān)控，散熱條件差，轉(zhuǎn)子慢發(fā)熱現(xiàn)象不易覺(jué)察。

采用轉(zhuǎn)子閉口槽對(duì)比試驗(yàn)研究：三相異步電動(dòng)機(jī)由于定、轉(zhuǎn)子齒槽的存在，旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈振損耗。轉(zhuǎn)子采用閉口槽，可削弱氣隙諧波磁場(chǎng)的脈動(dòng)[2-3]，降低諧波磁場(chǎng)的損耗，提高電機(jī)效率。采用轉(zhuǎn)子閉口槽，在降低電機(jī)雜散損耗和鐵耗的同時(shí)，會(huì)增加轉(zhuǎn)子漏抗，造成功率因數(shù)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流的變化。同時(shí)閉口槽轉(zhuǎn)子鑄鋁時(shí)容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子導(dǎo)條夾雜氣孔，形成細(xì)條、斷條等質(zhì)量缺陷。閉口槽橋拱的高度過(guò)小，機(jī)械強(qiáng)度差，加工困難。表3所示為YE4-225M-2 45 kW閉口槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 YE4-225M-2 45 kW閉口槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)(聯(lián)合開(kāi)發(fā))

參數(shù)樣機(jī)1樣機(jī)2樣機(jī)3樣機(jī)4槽型半閉口槽閉口槽(Hr0=0.2)H/%93.1893.1593.3093.07COSFI0.9000.9040.9020.902Tst/Tn2.683.012.812.20Ist/In8.568.738.818.27

鑄鋁轉(zhuǎn)子和鑄銅轉(zhuǎn)子對(duì)比試驗(yàn)：毋庸置疑，采用鑄銅轉(zhuǎn)子是提高電機(jī)功率密度、減小體積的最有效途徑之一，這在特種電機(jī)行業(yè)(如新能源汽車電機(jī))得到了廣泛應(yīng)用。就一般工業(yè)電機(jī)而言，聯(lián)合開(kāi)發(fā)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，YE4-132S-4 5.5 kW電機(jī)分別采用鑄鋁轉(zhuǎn)子(大直徑)和鑄銅轉(zhuǎn)子(小直徑)設(shè)計(jì)，在不考慮有效體積(D2L)的前提下，二者效率指標(biāo)相當(dāng)，但鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)制造成本高10%左右。

鑄鋁轉(zhuǎn)子槽絕緣和脫殼工藝研究：鑄鋁轉(zhuǎn)子電機(jī)由于導(dǎo)條和鐵芯之間無(wú)絕緣，容易產(chǎn)生橫向泄漏電流，增加雜散損耗[1]。通常采用鐵芯涂覆耐熱絕緣材料或磷化處理、轉(zhuǎn)子沖片回火增加氧化膜級(jí)脫殼處理工藝等方式增加絕緣電阻。

1.4 工業(yè)3D打印技術(shù)在YE4電機(jī)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

工業(yè)3D打印開(kāi)啟了全新的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。在新品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可應(yīng)用3D打印電機(jī)部分結(jié)構(gòu)件，快速準(zhǔn)確出件，大大降低了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期。三維軟件建模3D打印的風(fēng)扇最高精度滿足電機(jī)風(fēng)路的設(shè)計(jì)要求，為電機(jī)通風(fēng)散熱研究提供了最強(qiáng)有力的支撐。

2 YE4系列社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析

YE4系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要材料用量成本對(duì)比情況見(jiàn)表4。

表4 YE4系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要材料用量的成本對(duì)比情況

式中：ΔW為節(jié)電量；η0為普通效率電機(jī)，%；η1為超高效率電機(jī)，%；PN為額定功率，kW；H為運(yùn)行時(shí)間，h；Kfz為負(fù)載持續(xù)率。

若電動(dòng)機(jī)以平均負(fù)載率為70%、運(yùn)行時(shí)間3 000 h、平均電費(fèi)0.8元/kW·h。YE4系列換代投資成本回收周期約為2.3年。

3 結(jié)論

1)經(jīng)過(guò)多個(gè)規(guī)格樣機(jī)試制，YE4系列各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)。

2)YE4系列成功開(kāi)發(fā)不僅有利于進(jìn)一步推動(dòng)中小型電機(jī)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，趕超國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)有利于節(jié)約能源、改善環(huán)境，有利于國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3)下一步需要進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本、降低工藝制造難度。